詹煜龍 （安徽富煌建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

目前市面上大多空調(diào)支架是以三角支架或變截面支架作為主承重結(jié)構(gòu)，根據(jù)空調(diào)外機(jī)的重量用不同數(shù)量的膨脹螺栓固定于墻面上。當(dāng)建筑追求美觀(guān)預(yù)留空調(diào)板時(shí)，外機(jī)則直接落于板上，以膨脹螺栓固定底角即可。經(jīng)過(guò)幾十年的市場(chǎng)驗(yàn)證，這種方法構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)牢固，大部分情況也不會(huì)存在支架與外機(jī)共振的問(wèn)題。然而鋼結(jié)構(gòu)住宅的逐漸推廣對(duì)支架的構(gòu)造形式提出了新的要求，尤其是應(yīng)用較為普遍的ALC板外墻，其材質(zhì)輕脆，一旦開(kāi)洞裂縫拓展不易控制，形成各個(gè)方向的長(zhǎng)細(xì)裂縫，使外墻功能受損。因此，常規(guī)的安裝在墻上的三角支架不再適用，擬提出一種直接落于懸挑樓板的落地型支架，并對(duì)其進(jìn)行靜力分析以探究其承載能力，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析以討論其是否會(huì)與外機(jī)共振影響用戶(hù)體驗(yàn)。

1 基本計(jì)算模型

本文以安徽巢湖映月灣安置區(qū)項(xiàng)目作為工程背景，該項(xiàng)目基于典型的鋼框架支撐體系，住宅外墻為200mm厚ALC板，因板材材質(zhì)原因無(wú)法設(shè)置預(yù)埋件或膨脹螺栓，空調(diào)支架必須采用落地型支架，將其固定于預(yù)留的懸挑板上，單個(gè)支架最多放置兩臺(tái)空調(diào)外機(jī)。

空調(diào)支架為落地鋼架900mm長(zhǎng)×450mm寬×1050mm高，具體做法如圖1所示。

圖1 空調(diào)支架做法

空調(diào)支架從懸挑板上起4根1.05m長(zhǎng)角鋼作為主承軸力構(gòu)件，以相同型號(hào)的角鋼按照?qǐng)D示方法焊接作為支架的主次梁，最后在支架的窄側(cè)面分別以?xún)筛睆綖?的帶肋鋼筋封堵從而增大支架剛度。支架桿件除注明外均采用L50X5角鋼，構(gòu)件之間連接方式均為焊接，焊腳尺寸不小于4mm。

2 空調(diào)支架的靜力分析

為研究支架在外機(jī)作用下的承載能力情況，使用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)空調(diào)支架進(jìn)行應(yīng)力位移分析，分析前約束支架墊板底面的平動(dòng)，考慮支架自重，采用智能網(wǎng)格劃分，精度為2，支架模型圖和網(wǎng)格劃分圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 支架模型圖

圖3 支架的網(wǎng)格劃分

擬定空調(diào)外機(jī)的重量為當(dāng)前市面上較大的100kg，使其作用于桿件上，進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 靜載下的應(yīng)力云圖

圖5 靜載下的豎向位移云圖

應(yīng)力圖中應(yīng)力條的單位為MPa，位移圖中位移條的單位為mm。

結(jié)果顯示，支撐與角鋼連接的焊縫位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)，最大應(yīng)力為45MPa，即便如此，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材屈服強(qiáng)度，在材料的彈性范圍內(nèi)。鋼筋支撐在靜載下內(nèi)部為不到2MPa的壓應(yīng)力，支架長(zhǎng)跨度方向主梁跨中最大正應(yīng)力僅15MPa?？偟膩?lái)說(shuō)，整體桿件應(yīng)力水平很低，有充足的富余量應(yīng)對(duì)更大的荷載。

從圖5可以看出，支架桿件的最大豎向位移位于頂部空調(diào)正下方桿件中間位置，為0.2mm，在低處的相同位置，其豎向位移僅為0.13mm，這是因?yàn)楦咛幍闹苯映兄貤U件的約束不如低處的充分。此外不難發(fā)現(xiàn)，主承軸力桿件由于和主梁的相互約束，在頂端有外凸、底部有內(nèi)收的痕跡，但位移量幾乎可以忽略不計(jì)。

3 加質(zhì)量源的空調(diào)支架的固有頻率分析

ANSYS模態(tài)分析只考慮結(jié)構(gòu)的布局和約束，對(duì)于加在結(jié)構(gòu)上的外荷載（慣性力除外）均忽略不計(jì)。因此，建立模型時(shí)若考慮質(zhì)量源，則必須將質(zhì)量源作為結(jié)構(gòu)的一部分輸入模型。

根據(jù)圖紙，空調(diào)架落于兩面懸挑的120mm厚混凝土板上，空調(diào)外機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可能與支架共振，使噪聲過(guò)大。為使模擬更接近實(shí)際，將空調(diào)外機(jī)作為質(zhì)量源分三種情況加入模型中，不加任何質(zhì)量源的空調(diào)支架作為初始對(duì)照組。用于模態(tài)分析的模型除重力外不加任何荷載，邊界條件為約束混凝土板相鄰兩個(gè)側(cè)面的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件之間均粘結(jié)牢固，網(wǎng)格劃分方法同靜力分析。

分別按照如圖6所示的四種情況建立模型并進(jìn)行模態(tài)分析。

圖6 用于模態(tài)分析的四種模型

其中A不加任何質(zhì)量源作為對(duì)照組，B為質(zhì)量源放置在空調(diào)架頂部時(shí)的模型，C為質(zhì)量源放置在空調(diào)架下部時(shí)的模型，D為空調(diào)架上下部均放置質(zhì)量源時(shí)的模型，單個(gè)質(zhì)量源均為100kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，四種模型前5階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

四種情況的模態(tài)計(jì)算結(jié)果 表1

對(duì)支架進(jìn)行模態(tài)分析可知，A組的前2階振動(dòng)頻率分別為23.6Hz、37.9Hz，均為平動(dòng)。這種較低的頻率體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的柔性特征，當(dāng)激勵(lì)頻率與此頻率接近時(shí)，一般認(rèn)為差異為±20%，支架與空調(diào)外機(jī)有共振的可能。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，三種加質(zhì)量源方式的第一階支架自振頻率均為70Hz，第二階均為112.7Hz，說(shuō)明質(zhì)量源的施加位置對(duì)固有頻率的影響很小，但都明顯增大了結(jié)構(gòu)剛度。

此外查閱文獻(xiàn)可知，外機(jī)的壓縮機(jī)在230V電壓下振動(dòng)峰值是49.8Hz，當(dāng)支架的固有頻率為39.84～59.8Hz時(shí)，外機(jī)將會(huì)與支架共振，顯然當(dāng)外機(jī)一直保持壓縮機(jī)的振動(dòng)峰值工作時(shí)，無(wú)論支架是否加配重，均不會(huì)和外機(jī)共振。然而當(dāng)外機(jī)因?yàn)殡妷狠^低，或是沒(méi)有必要使壓縮機(jī)處于高頻率振動(dòng)狀態(tài)工作時(shí)，此時(shí)單個(gè)外機(jī)將作為激勵(lì)源，空支架將有可能和單個(gè)外機(jī)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。為了避免這種情況，盡量不要使支架僅僅作用一個(gè)空調(diào)外機(jī)，可通過(guò)加配重的方式使得支架的上下部均處于加載狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

①支架始終處于線(xiàn)彈性范圍，且普遍應(yīng)力極小，角鋼最大撓度僅0.2mm，結(jié)構(gòu)靜載下很安全。

②質(zhì)量源分三種情況作用于加支撐空調(diào)支架的主頻率均為70Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純空調(diào)支架的固有頻率23.6Hz，表明加質(zhì)量源后，支架剛度增大，結(jié)構(gòu)有較大的頻率差應(yīng)對(duì)到來(lái)的振動(dòng)激勵(lì)。

③外機(jī)的壓縮機(jī)處于振動(dòng)峰值狀態(tài)工作時(shí)，無(wú)論其在何種位置啟動(dòng)，均不會(huì)導(dǎo)致工作的空調(diào)外機(jī)與支架共振。當(dāng)支架僅作用單個(gè)外機(jī)，且壓縮機(jī)低于振動(dòng)峰值狀態(tài)工作時(shí)，此為最不利工作狀態(tài)，支架有可能與外機(jī)共振，此時(shí)可通過(guò)加配重的方式使支架上下部均處于加載狀態(tài)從而避免這種情況。